리드 저항을 성공적으로 보상

계측점(예: 브리지 또는 에어크래프트 윙)은 종종 계측 도구와는 멀리 떨어진 곳에 위치합니다. 직접 접속이 가능하지 않은 계측점이 있어, 계측 도구를 긴 케이블을 사용하여 연결해야 합니다. 단점: 케이블의 리드 저항이 몇 ohm에 달할 수 있으며 계측에 부정적으로 영향을 미칠 수 있습니다. 특히 계측 동안 케이블의 전기 저항 변화(예: 온도 변동으로 인한 것)는 부정적 영향을 보입니다.

동일한 브리지 암(bridge arm)에서 스트레인 게이지(SG)와 직렬로 늘어선 리드가 있어, 케이블 가열로 인한 온도 반응은 다음과 같이 계산됩니다.

Q = 컨덕터 소재의 전도성  

예시:

1m 길이의 구리 리드(피드 리드 및 리턴 리드용으로 각각 0.5m씩) 및 120 ohm의 스트레인게이지와 직렬 상태에 있는 0.15mm2 단면적이 10K의 온도 변동을 보이는 20 µm/m의 온도 반응을 불러일으킵니다. 다른 조건이 모두 동일한 상태에서 350 ohm의 스트레인 게이지를 포함하는 온도 반응은 단지 7µm/m입니다.

다양한 유형의 스트레인 게이지 회로 덕분에, 리드 저항이 보상될 수 있습니다. 이 기사에서는 장단점을 설명하며 Wheatstone 브리지 회로에 기초한 세 가지 유형의 회로를 나타내고 있습니다.

2선 회로 덕분에, 스트레인 게이지와 앰프가 두 개의 배선을 통해 연결됩니다. (그림 1 참조) 이 회로도에서는 케이블 저항이 스트레인 게이지 저항에 2배로(피드 및 리턴) 추가되었다는 것을 보여주고 있습니다.

이것은 브리지의 영점(zero point)과 민감도에 영향을 미칩니다. 몇 센티미터 길이의 케이블이 있더라도, 케이블 저항을 허용하는 것이 중요합니다. 2선 회로는 계측 동안 특히 온도 변동에 민감한데, 그 이유는 저항 상의 변화가 계측 값에 곧바로 영향을 미치기 때문입니다.

설치된 스트레인 게이지와  QuantumX MX1615 스트레인 게이지 브리지 앰프를 사용하여 2선 회로의 온도 안정성을 테스트 하였습니다.

테스트 결과: 2선 회로를 사용하여 얻은 계측 결과에는 유의성(significance)이 전혀 없었습니다. 케이블의 저항 변화(예: 온도 변동으로 인한 것)는 계측 결과에 전적으로 영향을 미칩니다.

스트레인 게이지 회로에 대한 비대칭 저항 변화는 계측 오류를 초래합니다. 저항 상의 변화가 교정되지 않습니다.

그림 1: 2선 구성의 스트레인 게이지 연결

3선 회로가 있어, 추가 리드는 계측 저항의 한 연결점에 연결되는데, 이것은 기준으로 사용되는 두 번째 계측 회로를 야기합니다. 조정된 3선 회로는 상부 케이블 저항을 가로지르는 전압을 계측하고 계측된 양의 두 배까지 여기 전압(excitation voltage)을 증가시킵니다. 그 결과, 스트레인 게이지를 가로지르는 전압은 케이블과 동일하거나 동일하지 않으며 해당 케이블은 민감도에 전혀 영향을 미치지 않습니다.

조정된 3선 회로에서는 두 개의 통전(current-carrying) 리드가 동일한 저항을 보여야 하는데, 그 이유는 해당 전압이 하나의 리드에서만 계측되기 때문입니다. 하지만, 해당 값을 두 배로 만드는 것은 교정하는 경우에 적용됩니다. 따라서, 네 개의 리드를 포함하는 케이블이 있어, 케이블 저항을 감소시키도록 병렬로 두 개의 리드를 연결하는 것은 완전히 잘못된 것일 수 있습니다. 이로 인해 유의한 영점 오류가 발생합니다. 다른 한 편으로, 스트레인 게이지 로우젯(rosettes)과 스트레인 게이지 체인이 있어 저항기 RKab1이 평행하게 연결된 모든 RKab2 저항기에 들어맞는다는 사실을 보장하는 것이 중요합니다.

테스트에서도 역시 다음 사항을 보여주고 있습니다: 저항 상의 변화는 하나의 케이블 리드에서만 교정됩니다. 저항 상의 비대칭 변화(예: 접촉점의 인터페이스)는 계측 결과에 온전하게 영향을 미칩니다. 저항 상의 대칭 변화(예: 계측 동안의 온도 변동)는 센스 리드를 통해 보상됩니다..

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그림 2: 3선 구성에서 스트레인 게이지 연결

4선 회로만, 또는 HBM의 특허 인증된 Kreuzer 회로는 서로 다른 케이블 저항을 보상할 수 있습니다. 알려진 전류는 두 개의 리드를 통해 저항기를 통과해 흐르게 됩니다. 저항기 RKab1에서 전압 강하는 두 개의 추가 리드를 통해 (높은 임피던스)에서 교정됩니다.

Kreuzer 회로는 저항기 RKab2를 가로지르는 전압을 측정하고 이를 여기(excitation)에 추가합니다. 따라서 전압 및 완성 저항기 Rerg를 통한 전류는 케이블 저항과는 별개입니다. 영점 및 케이블 영향에서 발생하는 민감도 오류는 전자 상태로 보상됩니다.

주: 세 가지 그래프는 각기 2선, 3선 및 4선 회로를 사용하는 스트레인 게이지 게측을 보여주고 있습니다. 여기서 세 가지 기법 모두 동일한 안정성을 제공하는 것으로 보입니다. 완벽하게 4선 포함 2선 및 3선에 해당하는 그래프의 단계를 참조했으며 해당 그래프는 안정적인 상태를 유지했습니다.

이 테스트로 증명된 사실: 특허 인증된 Kreuzer 회로 덕분에 다음을 통한 정확한 계측 결과를 얻을 수 있습니다

• 높은 온도 안정성
• 두 케이블 리드 모두에서 저항 상의 변화 교정

저항 상의 비대칭 변화(예: 커넥터에서) 및 저항 상의 대칭 변화(예: 온도 변동을 통해)는 교정되며 계측 결과에 영향을 미치지 않습니다.

그림 3: HBM의 특허 인증된 Kreuzer 회로를 사용하여 스트레인 게이지 연결